Investigating atomic mobility in phase-change memory materials with machine-learned molecular-dynamics simulations
1.66 MB
avoin
Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
Lataukset7
Pysyvä osoite
Verkkojulkaisu
DOI
Tiivistelmä
Phase-change materials are materials that can change between at least two structurally different solid phases, an amorphous (glass) and crystalline phase. A functionally important aspect is that the properties of these two phases differ from each other. This is due to the differences in the atomic structures of these two phases. The current and possible future applications of phase change materials are based on the properties of the two structural states.
In this thesis, the short-range order structure and ionic diffusion properties were studied for a ternary germanium-antimony-tellurium phase-change memory material model, in the composition of Ge2Sb2Te5, in three different temperature regimes by using molecular-dynamics simulations with a machine-learned interatomic potential. Studied properties included radial distribution functions, coordination numbers, bond angle distributions, mean squared displacements and diffusion coefficients. The study was conducted by first defining the atomistic model for the simulations, and then defining the simulation environment and settings. After that, the simulations were performed by using high performance computing facilities, and lastly the simulation results were obtained and analysed.
The results of the thesis provided information about the local atomic structure and ionic diffusion in the amorphous Ge2Sb2Te5 phase-change memory material, in three distinct temperatures. The radial distribution functions provided information about the arrangement of the atoms in the structure, the coordination numbers about the local atomic environments, and the bond angle distributions about the local geometry of the first coordination shell. The mean squared displacements provided insights into the mobility of the different atoms in the structure, while the diffusion coefficients indicated the rate of transfer of particles in given unit area.
Faasimuutosmateriaalit ovat materiaaleja, jotka voivat vaihtaa ainakin kahden rakenteellisesti erilaisen kiinteän faasin, amorfisen (lasi) ja kiteisen faasin välillä. Toiminnallisesti tärkeä näkökohta on se, että näiden kahden faasin ominaisuudet eroavat toisistaan. Tämä johtuu näiden kahden faasin atomirakenteiden eroista. Faasimuutosmateriaalien nykyiset ja mahdolliset tulevaisuuden sovellukset perustuvat sen kahden rakenteellisen olomuodon ominaisuuksiin. Tässä diplomityössä tutkittiin lyhyen etäisyyden järjestysrakennetta ja ionidiffuusio-ominaisuuksia ternaarisen germanium-antimoni-telluuri faasimuutosmuistimateriaalimallissa yhdisteessä Ge2Sb2Te5, kolmessa eri lämpötila-alueessa käyttämällä molekyylidynamiikan simulaatioita koneoppineen interatomisen potentiaalin kanssa. Tutkittuja ominaisuuksia olivat säteittäiset jakautumafunktiot, koordinaationumerot, sidoskulmajakaumat, keskineliömäiset siirtymät ja diffuusiokertoimet. Tutkimus tehtiin määrittelemällä ensin simulaatioiden atomistinen malli ja sitten simulaatioympäristö ja - asetukset. Tämän jälkeen simulaatiot suoritettiin käyttämällä korkean suorituskyvyn laskentalaitteita, ja lopuksi simulaatiotulokset saatiin ja analysoitiin. Diplomityön tulokset antoivat tietoa paikallisesta atomirakenteesta ja ionisesta diffuusiosta amorfisessa Ge2Sb2Te5 -faasimuutosmuistimateriaalissa kolmessa erilaisessa lämpötilassa. Säteittäiset jakaumafunktiot antoivat tietoa atomien järjestymisestä rakenteessa, koordinaationumerot paikallisista atomiympäristöistä ja sidoskulmajakaumat ensimmäisen koordinaatiokuoren paikallisgeometriasta. Keskineliömäiset siirtymät antoivat tietoa eri atomien liikkumisesta rakenteessa ja diffuusiokertoimet indikoivat hiukkasten siirtymänopeudesta tietyllä yksikköalueella.